Команда дослідників із Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) встановила новий світовий рекорд у точності вимірювання часу. Їхній атомний годинник на основі йона алюмінію виявився на 41% точнішим за попередника. Про це повідомляє медіа про науку, технології та здоров’я КРВ.медіа з посиланням на текст дослідження, опублікованого в Physical Review Letters.
Новий еталон точності: атомний годинник NIST
Рекордний атомний годинник базується на коливаннях одного йона алюмінію, що утримується в електричному полі в спеціальній конструкції — йонній пастці. Цей йон охолоджується до температури, близької до абсолютного нуля, що мінімізує зовнішні впливи. Вимірювання його коливань дозволяє визначати секунду з точністю до 19 десяткових знаків.
У годиннику використовується допоміжний йон магнію, який «допомагає» утримувати й керувати алюмінієвим йоном за допомогою лазерного світла. Лазер, що контролює систему, постачається з іншої лабораторії, розташованої на відстані понад 3,6 км. Така схема забезпечує унікальне поєднання надвисокої точності й стабільності.
Систематична невизначеність — тобто максимально можлива похибка у вимірюваннях — зменшена на 41% порівняно з попередніми зразками. Загальна стабільність системи покращена у 2,6 раза. Це означає, що похибка може з’явитися лише раз на десятки мільярдів років.
Інженерні рішення, що забезпечили прорив у точності
Понад 20 років команда з NIST працювала над цим проєктом, поступово вдосконалюючи кожен елемент. Один із ключових технічних кроків — потовщення алмазного шару, що формує корпус йонної пастки, а також зміцнення золотої обробки електродів. Це стабілізувало електричне поле, в якому утримується йон, і зменшило вплив зовнішніх мікровібрацій.
Фізик Мейсон Маршалл з NIST пояснює: «Це надзвичайно захопливо — працювати над найточнішим годинником в історії. Ми реалізовуємо довгострокові плани у прецизійних вимірюваннях, що просувають розуміння фізичних законів».
Ще одне важливе досягнення — суттєве скорочення часу збору даних. Якщо раніше для досягнення потрібної точності треба було три тижні безперервних вимірювань, тепер достатньо лише півтори доби.
Наукове значення: від квантової фізики до астрофізики
Атомні годинники такого рівня не призначені для щоденного користування. Вони використовуються як еталони часу, необхідні для калібрування інших приладів, участі в надточних експериментах і перевірки фундаментальних фізичних теорій.
Один із напрямків використання — дослідження темної матерії. Ще один — експериментальна перевірка теорії відносності Альберта Ейнштейна. Чим точніше ми знаємо, скільки триває секунда, тим точніше можемо вимірювати ефекти, що виникають у гравітаційних полях або на великих відстанях.
«Це складне завдання, бо кожна деталь впливає на точність усього годинника», — зазначає інженер NIST Даніель Родрігес Кастільйо.
Майбутнє: масштабування та квантове переплетення для ще більшої точності
Фізики переконані: це лише початок. Нові підходи до архітектури атомних годинників можуть включати не одного, а кілька йонів. Або ж — переплетення їхніх квантових станів (явище, коли частинки залишаються взаємопов’язаними, навіть якщо перебувають на великій відстані одна від одної).
«Ми готові досліджувати нові архітектури годинників, масштабувати кількість йонів і навіть переплітати їх квантово — це відкриє нові можливості для ще точніших вимірювань», — підсумовує фізик Вілла Артур-Дворшак із NIST.
Атомні годинники у повсякденному житті: більше, ніж наука
Хоч такі годинники створені передусім для фундаментальних досліджень, вони мають прикладне значення. Їх використовують для супутникової навігації (GPS), синхронізації телекомунікаційних мереж і банківських систем, безпеки інтернету, точного часу на фінансових біржах.
Завдяки атомним еталонам часу можливе узгоджене функціонування сучасної цифрової інфраструктури в глобальному масштабі. Що вища точність — то стабільніше працюють супутники, комп’ютерні мережі, наукові обсерваторії.
